O que é a tecelagem 3D? Preformas tecidas em três eixos

Diferença entre a tecelagem 3D e a tecelagem 2D

Nos tecidos convencionais (tafetá, sarja, cetim), os fios de teia e de trama passam uns por cima e por baixo dos outros num único plano. Um tecido deste tipo tem, em regra, uma espessura de uma fração de milímetro. Para produzir uma peça compósita espessa, as camadas cortadas destes tecidos são empilhadas, unidas com resina e curadas. O resultado designa-se por laminado.

Num laminado, as fibras estendem-se apenas no plano de cada camada. O único elemento que mantém as camadas unidas na direção da espessura é a fina película de resina entre elas. Como a resina é muito menos resistente e menos tenaz do que a fibra, o laminado é resistente a cargas no plano, mas fraco sob tração na direção da espessura e sob corte interlaminar. A separação das camadas, designada por delaminação, é a consequência mais conhecida desta fragilidade.

Na tecelagem 3D, a espessura é criada pelo próprio processo de tecelagem. O tear alimenta simultaneamente várias camadas de fios de teia; os fios de trama são inseridos entre estas camadas e os fios de ligação percorrem a espessura para unir as camadas. A estrutura não contém camadas independentes: a preforma é uma peça única desde o momento em que é tecida.

Três eixos: teia, trama e fio de ligação

• Teia (X): fios que percorrem o tear no sentido longitudinal, na direção em que o tecido é produzido. Uma tecelagem 3D contém várias camadas de teia sobrepostas.
• Trama (Y): fios inseridos entre as camadas, perpendicularmente à teia. Cada inserção pode colocar fios de trama a várias alturas.
• Fio de ligação (Z): fios alimentados na direção da teia que se deslocam para cima e para baixo através da espessura. Bloqueiam mecanicamente as camadas entre si e conferem a resistência à delaminação.

Os nomes dos eixos seguem a convenção de coordenadas habitual na engenharia de compósitos: X e Y são as direções no plano e Z é a direção da espessura. Os fios de ligação representam, em regra, uma pequena parte da fibra total; as cargas no plano continuam a ser suportadas sobretudo pela teia e pela trama. Mais fio de ligação significa uma ligação mais forte na direção da espessura, mas menos fibra disponível para as direções no plano. Encontrar esse equilíbrio é uma das decisões centrais no projeto de um padrão de tecelagem.

Como funciona a tecelagem 3D

Um tear 3D mantém as operações básicas da tecelagem convencional, mas aplica-as a uma teia de várias camadas. Um ciclo de tecelagem é composto pelos seguintes passos, por esta ordem:

1. Formação da cala: os fios de teia e de ligação são elevados a diferentes alturas de acordo com o padrão de tecelagem, abrindo vários espaços (calas) entre as camadas.
2. Inserção da trama: os fios de trama passam pelas calas abertas.
3. Batimento: o pente empurra os novos fios de trama contra a linha de formação do tecido.
4. Movimento do fio de ligação: os fios de ligação são levados para a face superior ou inferior de acordo com o padrão, envolvendo as colunas de trama na direção da espessura.

O padrão de tecelagem é uma tabela que define a altura a que cada fio se encontra em cada inserção de trama, sendo frequentemente executado por sistemas de formação de cala controlados por computador. O padrão pode ser alterado durante a tecelagem para acompanhar a secção transversal da peça. Isto permite ao tear produzir não só placas planas, mas também preformas de espessura variável ou curvas. As preformas dos perfis em T, Π e H são tecidas fechadas (dobradas) no tear e, depois de saírem do tear, abrem-se para formar a secção.

A tecelagem de fios frágeis e sensíveis à abrasão, como a fibra de carbono, em várias camadas exige um controlo cuidadoso da tensão dos fios e do atrito. A literatura indica que os danos nos fios e a ondulação (crimp) introduzidos durante a tecelagem podem afetar as propriedades no plano do compósito (Mouritz e Cox, 2010). O projeto do tear e os parâmetros de tecelagem têm, por isso, um efeito direto na qualidade de um produto tecido em 3D.

Arquiteturas de tecelagem 3D

O percurso dos fios de ligação através da espessura define a arquitetura de uma tecelagem 3D. A literatura identifica três tipos principais (Tong, Mouritz e Bannister, 2002).

Tecelagem ortogonal

Os fios de ligação atravessam verticalmente toda a espessura; os fios de teia e de trama mantêm-se praticamente retos. Os fios retos contribuem para a rigidez no plano, enquanto os fios de ligação unem diretamente as faces superior e inferior. A secção representada no diagrama acima corresponde a esta arquitetura.

Angle-interlock (interligação angular) camada a camada

Os fios de ligação não atravessam toda a espessura; cada um une camadas adjacentes segundo um ângulo. As camadas interligam-se como os elos de uma corrente. Esta estrutura adapta-se, em regra, mais facilmente a um molde, e a espessura pode ser aumentada acrescentando camadas.

Angle-interlock na direção da espessura

Os fios de ligação atravessam toda a espessura segundo um ângulo. Esta arquitetura situa-se entre as restantes no equilíbrio entre a ligação na direção da espessura e as propriedades no plano.

A arquitetura é escolhida ponderando em conjunto o caso de carga, a espessura, a necessidade de adaptação ao molde e a cadência de produção. Também é possível utilizar padrões diferentes em zonas diferentes da mesma peça.

Tecelagem 3D híbrida

Como os fios de teia, de trama e de ligação são alimentados ao tear separadamente, cada eixo de uma tecelagem 3D pode utilizar uma fibra diferente. O carbono pode conferir rigidez na direção que suporta a carga, enquanto a aramida pode ser usada nos fios de ligação ou numa face exposta a impactos, e o vidro onde o custo ou o isolamento elétrico são prioritários. As diferentes fibras ficam bloqueadas entre si pelos fios de ligação numa única preforma; ao contrário de um laminado híbrido formado por camadas empilhadas de materiais diferentes, as transições entre materiais permanecem ligadas também na direção da espessura. As estruturas tecidas em 3D híbridas são amplamente estudadas na literatura. Como as fibras diferem em rigidez e em alongamento na rotura, a escolha das fibras e do padrão de tecelagem é avaliada em conjunto com o caso de carga e as condições de utilização da peça.

Da preforma ao compósito

O que sai de um tear 3D é uma preforma de fibra seca, ainda sem resina. Para se tornar uma peça compósita, a preforma é colocada num molde e a resina é introduzida sob pressão ou vácuo. Os processos mais comuns para este fim são a moldagem por transferência de resina (RTM), a moldagem por transferência de resina assistida por vácuo (VARTM) e a infusão a vácuo. Após a cura da resina, a peça é desmoldada e, quando necessário, maquinada em CNC.

Uma preforma seca numa só peça também facilita a produção: não é necessário cortar e dispor dezenas de camadas uma a uma, e não podem ocorrer erros como o deslizamento de camadas ou a sua colocação com o ângulo errado. Por outro lado, a impregnação completa de uma preforma espessa e densamente tecida exige um projeto de processo cuidadoso. Se o escoamento da resina for insuficiente, podem formar-se zonas secas e vazios (porosidade).

Vantagens e limites

A literatura resume as principais características dos compósitos tecidos em 3D da seguinte forma (Mouritz et al., 1999; Tong et al., 2002):

• A tenacidade à fratura interlaminar e a resistência à delaminação são significativamente superiores às de laminados 2D equivalentes.
• Os danos por impacto ficam confinados a uma área menor, e a resistência à compressão após impacto (CAI) é superior.
• Zonas de junção como as secções em T, Π e H podem ser tecidas numa só peça, o que reduz o número de linhas de colagem e de elementos de fixação.
• Como a preforma sai numa só peça, deixa de ser necessária a mão de obra de colocação das camadas.

As mesmas fontes são igualmente claras quanto aos limites:

• A ondulação provocada pelos fios de ligação e os danos nos fios durante a tecelagem podem, em algumas estruturas, reduzir a rigidez e a resistência no plano para valores inferiores aos de um laminado equivalente. A dimensão do efeito depende da arquitetura, do teor de fio de ligação e da qualidade de fabrico (Mouritz e Cox, 2010).
• Podem formar-se zonas ricas em resina em torno dos fios de ligação, nas quais o dano pode ter início (Cox et al., 1994).
• O projeto do tear e do padrão exige conhecimento especializado, e as opções de fornecimento são mais limitadas do que para os tecidos correntes.

Por conseguinte, a tecelagem 3D não é a escolha adequada para todas as aplicações. Os maiores ganhos verificam-se em peças cujo projeto é condicionado pela delaminação, pelos danos por impacto ou pela separação numa junta.

Comparação: laminado 2D e compósito tecido em 3D

Onde se utilizam os compósitos tecidos em 3D

Os compósitos tecidos em 3D são utilizados, ou estão em estudo, em juntas e peças de ligação aeroespaciais, em componentes expostos a impacto, como as pás de ventilador dos motores de aeronaves comerciais, em estruturas espaciais, na defesa e na proteção balística, em estruturas navais e em aeronaves não tripuladas. O que estas aplicações têm em comum é o facto de a peça estar exposta a danos interlaminares causados por impacto, vibração ou tensões numa junta. A revisão de 1999 de Mouritz e coautores aborda os primeiros exemplos destas aplicações e as propriedades que motivaram a escolha da tecelagem 3D.

Na prática

A 3Dwovens realiza I&D em tecelagem 3D desde 2011, e os seus teares são projetados e construídos internamente. A placa de carbono OWC tecida em 3D é produzida transformando uma preforma tecida deste modo num compósito com resina epóxi. A placa mede 500 × 250 × 6,5 mm, tem uma densidade de cerca de 1,55 g/cm³ e uma temperatura de transição vítrea (Tg) da resina de 140 °C.

Segundo os resultados dos ensaios, os provetes RTM tecidos em 3D atingiram 813–993 MPa de resistência à tração e 94–107 GPa de módulo de flexão. Nos mesmos ensaios, provetes de pré-impregnado (prepreg) unidirecional (UD) atingiram 718–819 MPa e 82–91 GPa, e provetes de pré-impregnado em tafetá 420–454 MPa e 39–41 GPa. Estes valores aplicam-se a provetes e condições de ensaio específicos; antes de serem utilizados como valores de projeto, devem ser verificados nas condições de carga aplicáveis. Para perfis em T, Π, H ou em caixa tecidos segundo desenho, pode ser pedido um orçamento na página de produção à medida.

Perguntas frequentes

Referências

• Mouritz, A. P., Bannister, M. K., Falzon, P. J., Leong, K. H. (1999). Review of applications for advanced three-dimensional fibre textile composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 30(12), 1445–1461.
• Tong, L., Mouritz, A. P., Bannister, M. K. (2002). 3D Fibre Reinforced Polymer Composites. Elsevier.
• Mouritz, A. P., Cox, B. N. (2010). A mechanistic interpretation of the comparative in-plane mechanical properties of 3D woven, stitched and pinned composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 41(6), 709–728.
• Cox, B. N., Dadkhah, M. S., Morris, W. L., Flintoff, J. G. (1994). Failure mechanisms of 3D woven composites in tension, compression, and bending. Acta Metallurgica et Materialia, 42(12), 3967–3984.
• Chen, X. (ed.) (2015). Advances in 3D Textiles. Woodhead Publishing.
• ASTM D3039/D3039M. Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International.
• ASTM D7264/D7264M. Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International.